Repositorio de la Universidad
Trabajo Fin de Grado
Influencia de diferentes parámetros en la transferencia de calor desde una pila PEM de alta
Dr.
Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es
Trabajo Fin de Grado
Influencia de diferentes parámetros en la transferencia de calor desde una pila PEM de alta
temperatura
Autor
Diego Herranz Gracia
Director
Dr. Jorge Ángel Barroso Estébanez
Escuela de Ingeniería y Arquitectura EINA-Universidad de Zaragoza Grado en Ingeniería Mecánica
2016
http://zaguan.unizar.es
Influencia de diferentes parámetros en la transferencia de calor desde una pila PEM de alta
Universidad de Zaragoza
Agradecimientos
Me gustaría agradecer al departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos por permitirme realizar el trabajo de fin de grado con ellos. En especial al Prof. Jorge Ángel Barroso Estébanez por todo el tiempo que ha dedicado en mí y en esta memoria y por todas las dudas que me ha resuelto en el transcurso de la realización de la misma.
A su vez quiero reconocer el apoyo y los ánimos que he recibido de toda mi familia y amigos durante todo este tiempo.
Influencia de diferentes parámetros en la transferencia de calor desde una pila PEM de alta temperatura.
RESUMEN:
En este trabajo se estudian distintos modos de refrigeración de una pila PEM de alta temperatura encargada de suministrar la potencia a vehículos aéreos no tripulados.
El objetivo del estudio, por una parte, es reducir el peso del sistema de refrigeración en su conjunto, estudiando la posibilidad de cambiar el material de las placas para aumentar la emisividad de la pila, y por otra, disminuir el consumo de potencia utilizada por el ventilador del sistema de refrigeración. Todos los análisis se realizan para distintas altitudes y para diferentes tamaños de cámaras de refrigeración.
En primer lugar se estudia la influencia de la emisividad de las placas de la pila en el sistema de refrigeración, y los posibles materiales a utilizar para su construcción.
Una vez fijada la emisividad de las placas exteriores de la pila, se procede al estudio de las diferentes condiciones de operación: refrigeración con aire seco, refrigeración con aire a humedad absoluta constante, refrigeración con calentamiento y humidificación del aire, y por último se analiza la refrigeración a través de una mezcla bifásica (aire + agua) de forma tal que, a la salida del sistema el aire húmedo presente gotas de agua distribuidas de forma homogénea. Este último caso solo se analiza a nivel del mar.
Una vez estudiadas todas las condiciones de operación de manera independiente se procede a realizar una comparación de todos casos con el fin de determinar cuál es el mejor método de refrigeración para los distintos rangos de altitud.
Se concluye que al aumentar la emisividad de las placas de la pila aumenta la transferencia de calor por radiación y se reduce el consumo de potencia del ventilador, además que se puede reducir el peso del sistema, ya que, algunos de los materiales estudiados con alta emisividad poseen menor peso específico.
En relación con el tipo de agente refrigerante, a medida que aumenta la humedad del aire también aumenta la transferencia de calor por convección y se reduce el consumo de potencia del ventilador. Es esta parte, no se ha estudiado el incremento de peso que se produce si es necesario embarcar el agua para humidificar el aire.
Índice
1. Introducción
... 1.1 1.1 Alcance y objetivos ... 1.1 1.2 Organización del proyecto ... 1.22. Estado del arte
... 2.1 2.1. Introducción a las Pilas de Combustible ... 2.1 2.1.1. Características de los distintos tipos de pilas de combustible ... 2.2 2.2. Pilas de combustible de tipo PEM de alta temperatura ... 2.4 2.2.1. Ventajas del uso de pilas PEM de alta temperatura ... 2.6 2.2.2. Problemas de funcionamiento a superar ... 2.6 2.2.3. Desarrollo de nuevas membranas y materiales para los componentes de la pila ... 2.7 2.3. Pilas de combustible tipo PEM de alta temperatura ... 2.8 2.3.1. Pilas de combustible en el sector aeronútico ... 2.8 2.3.2. Historia y tipos de vehículos aéreos no tripulados UAVs ... 2.9 2.3.3. Ventajas del uso de las pilas de combustible en aviación ... 2.10 2.3.4. Aspectos del diseño en una PEMFC para aeronáutica ... 2.10 2.3.5. Conclusión del uso de pilas de combustible en UAVs ... 2.11 2.4. Transferencia de calor en sistemas de enfriamiento ... 2.11 2.4.1. Introducción ... 2.11 2.4.2. Transferencia de calor en sistemas de enfriamiento ... 2.11 2.4.3. Sistemas de enfriamiento con convección natural ... 2.12 2.4.4. Sistemas de enfriamiento con convección forzada ... 2.12 2.4.5. Propiedades del fluido refrigerante en las distintas condiciones derefrigeración ... 2.16 2.4.6. Radiación ... 2.17 2.4.7. Conducción ... 2.18
3. Metodología
... 3.1 3.1. Características de la pila estudiada ... 3.1 3.2. Transferencia de calor. Fundamentos teóricos ... 3.3 3.2.1. Introducción ... 3.3 3.2.2. Convección ... 3.5 3.2.3. Radiación ... 3.7 3.2.4. Conducción ... 3.7 3.3. Potencia consumida en el sistema de refrigeración ... 3.8 3.4. Estudio de la emisividad ... 3.9 3.4.1. Variación de la emisividad de la pila ... 3.9 3.4.2. Aire seco con emisividad de la pila óptima ... 3.10 3.5. Aire a humedad absoluta constante ... 3.10 3.5.1. Influencia de la altitud a humedad absoluta constante ... 3.10 3.5.2. Influencia de la humedad en la entrada ... 3.12 3.6. Calentamiento y humidificación del aire húmedo ... 3.12 3.6.1. Calentamiento y saturación del aire húmedo ... 3.12 3.6.2. Aire saturado a la salida para distintas altitudes de vuelo ... 3.14 3.7. Mezcla bifásica a la salida ... 3.144. Análisis de Resultados
... 4.1 4.1. Resultados del estudio de la emisividad ... 4.1 4.1.1. Variación de la emisividad de la pila ... 4.1 4.1.2. Aire seco con la emisividad de la pila óptima ... 4.5 4.2. Aire a humedad absoluta constante ... 4.6 4.2.1. Influencia de la altitud a humedad absoluta constante ... 4.6 4.2.2. Influencia de la humedad en la entrada ... 4.7 4.3. Calentamiento y humidificación del aire húmedo ... 4.8 4.3.1. Calentamiento y saturación del aire húmedo ... 4.8 4.3.2. Aire saturado a la salida para distintas alturas de vuelo ... 4.12 4.4. Mezcla bifásica a la salida ... 4.13 4.5. Comparación de casos ... 4.14 4.5.1. Ahorro de potencia ... 4.155. Conclusiones
... 5.16. Bibliografía
... 6.1Anexos
... A-1 Anexo A ... A-1 Anexo B ... A-17 Anexo C ... A-25 Anexo D ... A-26 Anexo E ... A-51 Anexo F ... A-56 Anexo G ... A-62 Anexo H ... A-68 Anexo I ... A-74 Anexo J ... A-801.1
1. Introducción
1.1. Alcance y objetivos
En el presente proyecto se estudia el sistema de enfriamiento y la transferencia de calor de una pila de combustible de tipo PEM (según sus iniciales en inglés “Proton Exchange Membrane”) de alta temperatura para suministrar la potencia a un vehículo aéreo no tripulado (UAV del inglés “Unmanned Aerial Vehicle”).
Se analiza la influencia de la emisividad de la pila y de la humedad del aire en la refrigeración de la misma a diferentes altitudes.
El empleo de pilas de combustible en vehículos aéreos con un techo de vuelo a elevada altitud y de larga duración (HALE del inglés “High Altitude Long Endurance”) presenta un gran número de problemas. En este trabajo se estudian diferentes modos de refrigeración de la pila para conseguir reducir la potencia a suministrar por el ventilador del sistema en un UAV y se estudia también la posibilidad de cambiar el material de las placas para aumentar la emisividad de la pila.
El objetivo último por lo tanto del presente proyecto es estudiar el sistema de refrigeración de tipo PEM de alta temperatura. Para ello se confecciona un programa de computación para simular la transferencia de calor en diferentes condiciones de operación. Se analizan después los resultados obtenidos, determinando las mejores opciones de refrigeración para el sistema.
Tanto el cálculo, como las diferentes simulaciones realizadas en esta memoria, se han resuelto mediante códigos implementados en el software EES (EngineeringEquationSolver) que permite tanto la resolución de múltiples ecuaciones acopladas, como la realización de estudios paramétricos mediante tablas y/o gráficos.
Por otro lado para la realización de todo tipo de gráficas ha sido utilizado el programa de Excel, perteneciente al paquete de Microsoft Office.
El trabajo se encuadra dentro de una línea de investigación del Área de Mecánica de Fluidos del Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos en colaboración con el Laboratorio de Investigación en Fluidodinámica y Tecnologías de la Combustión (LIFTEC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).
1.2
1.2. Organización del proyecto
Para la correcta presentación de esta memoria se ha dividido el trabajo en tres fases:
a) Estudio del estado del arte en cuanto a pilas de combustible para aviones no tripulados (UAV), sistemas de refrigeración y transferencia de calor.
b) Confección de un código capaz de simular la transferencia de calor desde la pila de combustible al aire ambiente con las características impuestas por la altura en que opere el UAV.
c) Obtención de resultados y análisis de los mismos.
Todo esto se ha estructurado en un total de 6 capítulos incluido éste de introducción.
En el capítulo 2 se realiza una revisión bibliográfica general sobre los fundamentos teóricos más importantes de las pilas de combustible tipo PEM, indagando también en cuanto a su uso en UAV's. Se abordan los distintos aspectos de los sistemas de enfriamiento utilizados, así como sus parámetros más importantes.
En el capítulo 3 se presenta el método utilizado para la resolución de los distintos problemas. Se explican brevemente los fundamentos teóricos de transferencia de calor que se utilizan para el estudio del sistema de refrigeración, así como las ecuaciones empleadas en el cálculo de todos los parámetros involucrados en cada caso analizado.
Para ello, se separa la explicación en distintos apartados (variación de emisividad y distintas condiciones de refrigeración) y se comenta en cada uno de ellos las modificaciones realizadas en las ecuaciones del código del programa utilizado.
El capítulo 4 está dedicado al análisis de los resultados obtenidos. En este capítulo se analizan en profundidad los resultados más relevantes obtenidos al variar la emisividad y al utilizar diferentes condiciones de refrigeración para distintas alturas de vuelo, salvo en el caso en el que se realiza la refrigeración mediante agua pulverizada, la cual solo se analiza y se estudia como una posibilidad de avanzar en su estudio en el futuro a altura de vuelo 0 m. También se realiza un estudio comparativo de todos ellos.
En el capítulo 5 se resumen las principales conclusiones y logros obtenidos durante el proyecto, proponiendo recomendaciones de investigación para el futuro.
El capítulo 6 se dedica a las referencias bibliográficas, mientras que en un apartado de Anexos se presentan las tablas con todos los resultados de los cálculos realizados, así como todos códigos completos utilizados para los distintos casos y otros datos de interés no explicados en el cuerpo de esta memoria.
2.1
2. Estado del arte
2.1. Introducción a las pilas de combustible
Una pila de combustible es un sistema electroquímico que convierte la energía química directamente en energía eléctrica obteniendo como subproductos de la reacción agua y calor[2]. La diferencia principal con las baterías convencionales, es que los reactantes son suministrados constantemente a la pila y los productos de reacción eliminados.
En la Figura 2.1 se muestra de manera simplificada el funcionamiento de una pila de combustible.
Figura 2.1: Esquema simplificado del funcionamiento de una monocelda de una pila de combustible.
En las pilas que utilizan hidrógeno como combustible y oxígeno como oxidante los únicos subproductos son como se ha dicho antes el calor generado en la reacción química y agua. Las pilas de combustible alcanzan unos rendimientos elevados debido a que la generación eléctrica está exenta de cualquier proceso térmico o mecánico intermedio, produciéndose la conversión directa mediante la reacción electroquímica del hidrógeno y el oxígeno. Además estos dispositivos son respetuosos con el medio ambiente, razón por la cual son muy interesantes para el mundo del aeromodelismo, lo cual se viene comprobando sobre todo en vehículos aéreos no tripulados (UAVs) [1].
2.2
2.1.1. Características de los distintos tipos de pilas de combustible
Existe un gran abanico de posibilidades en cuanto a las aplicaciones de las pilas de combustible. Esta amplitud de posibilidades se debe a las distintas características que poseen, entre las que se pueden mencionar: alta eficiencia, reducidas emisiones de contaminantes, muy reducidos niveles de ruido, baja contaminación térmica, bajos costes de mantenimiento, etc.
A su vez, debido a esa variedad de posibilidades que ofrecen las pilas, existen varias clases. Según el tipo de electrolito utilizado, las pilas pueden ser de electrolito sólido o líquido. La naturaleza del electrolito también les confiere diferentes formas de funcionamiento y características, como pueden ser la temperatura de operación, el tipo y cantidad de gases reactantes y de productos de la reacción química, los materiales utilizados para su construcción, o incluso su vida útil y área de aplicación [2]. En la Tabla 2.1 se muestra a modo de comparativa un resumen de los tipos de pilas de combustible con sus diferentes características, aplicaciones, ventajas e inconvenientes, etc. [6].
2.3
Tabla 2.1: Comparación de diferentes tipos de pilas de combustible
2.4
2.2. Pilas de combustible tipo PEM de alta temperatura
Estas pilas de combustible nacen de la necesidad de aumentar la temperatura de funcionamiento de las pilas tipo PEM de baja temperatura (40-80°C), mejorando así la gestión del agua y del calor y aumentando la eficiencia.
Todas estas pilas se denominan tipo PEM porque el electrolito está constituido por una membrana polimérica que separa la parte anódica y catódica de una celda. Se trata de un conductor protónico, que permite el paso a través de él de los iones H+, pero con la particularidad de ser impermeable al resto de sustancias [2]. Estas pilas tipo PEM son la opción actual más prometedora para aplicaciones móviles, debido a la alta eficiencia y densidad de corriente y baja temperatura de operación que poseen.
Componentes de una pila PEM
Las pilas PEM están compuestas por varios elementos que tienen que estar correctamente diseñados y optimizados para el correcto funcionamiento de la pila. Los componentes de las pilas PEM y por tanto de las pilas PEM de alta temperatura son:
• Membrana de intercambio protónico
Se trata de una membrana de naturaleza polimérica que posee un alto grado de conducción protónica y que es impermeable a los gases y aislante eléctrico. Se requiere para el correcto funcionamiento de la pila mantener un nivel de hidratación óptimo de la membrana. El espesor de estos elementos en la actualidad está comprendido entre 5 y 200 µm.
• Capas catalíticas
El electrodo es una capa catalítica delgada localizada entre la membrana y las capas difusoras, tanto en el ánodo como en el cátodo. Están formados por un material carbonoso altamente poroso (platino soportado por carbón en las pilas PEM) y es en ellos donde se producen las reacciones electroquímicas de ánodo y cátodo.
• Capas difusoras
Las capas difusoras o GDL, del inglés Gas Diffusion Layer, sirven de soporte mecánico a los electrodos. Están formadas por materiales porosos y buenos conductores de electricidad, que distribuyen los reactantes hacia las capas catalíticas, canalizan la gestión del agua y sirven de conexión electrónica entre éstas y las placas bipolares. Los principales parámetros que caracterizan las GDL son la porosidad, la compresibilidad, su permeabilidad y la conducción eléctrica y térmica.
2.5
• Placas
Realizan diferentes funciones esenciales que permiten el correcto funcionamiento del sistema. Estas funciones son las que a continuación se exponen: conectar eléctricamente celdas adyacentes, distribuir eficientemente los gases a través de los canales y sobre los electrodos, favorecer la evacuación del agua, extraer el calor generado en las áreas activas, dar soporte estructural a los electrodos sin incrementar en exceso el peso y separar los gases de celdas adyacentes.
Para cumplir todos estos requisitos las placas tienen que estar construidas de materiales que sean buenos conductores eléctricos, fácilmente moldeables, buenos conductores térmicos, rígidos y resistentes a la compresión, así como ligeros y que sean estables químicamente e impermeables.
• Sellos y juntas
Son los elementos encargados de evitar fugas de gas al exterior de la pila. Los materiales más comunes son polímeros termoplásticos capaces de soportar las condiciones de operación de la pila como el teflón (PTFE).
Funcionamiento
En la Figura 2.2 se muestra un esquema simplificado muy ampliado de un corte transversal de una celda de estas pilas.
Figura 2.2: Esquema del funcionamiento y componentes de una PEMFC.
2.6
De manera simplificada una celda está compuesta por tres zonas: un electrodo cargado negativamente (cátodo), un electrodo cargado positivamente (ánodo) y la MEA, del inglés Membrane Electrode Assembly. La MEA está formado por cinco capas:
la membrana, las capas catalíticas y las capas difusoras, y ocupa la parte central de la celda, separando el cátodo y el ánodo. A su vez están comprimidas por las placas bipolares, lo que hace que se produzca un adecuado contacto eléctrico con las capas difusores mejorando la conducción eléctrica.
En la zona anódica se oxida el combustible (hidrógeno) que ha sido introducido por los canales mecanizados en la placa bipolar de dicha zona, mientras que en la zona catódica se reduce el oxidante (oxígeno). Aunque en los electrodos ocurren muchas reacciones intermedias, de forma simplificada las reacciones globales son:
Ánodo: 2 → 4 + 4 (2.1)
Cátodo: + 4 + 4 → 2 (2.2)
Global: 2 + → 2 (2.3)
Cabe destacar en este apartado que en las pilas PEM de alta temperatura al trabajar con temperaturas superiores a los 100 °C, ya no se puede utilizar el Nafion™
(propiedad de DuPont Inc.) como material de la membrana ya que a partir de 80 °C este se degrada, porque el agua empieza a desaparecer, disminuyendo significativamente el rendimiento de la pila y perjudicando las propiedades de la membrana. Más adelante en este capítulo se detallarán los posibles materiales a utilizar para las membranas en las pilas PEM de alta temperatura.
2.2.1. Ventajas del uso de pilas PEM de alta temperatura
Al trabajar por encima de los 100 °C en las pilas PEM de alta temperatura se consigue mejorar los procesos y reacciones que ocurren en su interior. Se produce un aumento de la tolerancia a la entrada de CO, permitiéndose por lo tanto el uso de hidrógeno de menor pureza; se simplifica la gestión del agua, ya que ahora la misma se encuentra en forma de vapor, con lo que se reduce el bloqueo de los canales de flujo. También se incrementa la cinética de las reacciones electroquímicas y se simplifica el sistema de refrigeración, ya que es mayor el gradiente de temperaturas entre la pila y el ambiente.
2.2.2. Problemas de funcionamiento a superar
El funcionamiento de las pilas PEM mejora sustancialmente cuando operan en un rango de temperaturas comprendido entre los 100 y los 200°C. Como se trabaja a altas
2.7
temperaturas es importante conocer todos los cambios que se producen en los materiales de los componentes de la pila.
En cuanto al material de la membrana, el Nafion (formado por cadenas de flurorocarbono) está comprobado que a temperaturas elevadas (mayor de 100 °C) se deshidrata, lo que disminuye el rendimiento de la pila. Otro tipo de membrana que se descompone cuando se sobrepasa los 100°C son las membranas perfluoradas [3,4]. Los problemas que estos materiales presentan, han obligado a realizar nuevos estudios en los que se concluye que para operar a altas temperaturas se requiere el uso de membranas de materiales altamente estables [5].
Como se puede ver en la Tabla 2.1 es importante en las pilas PEM un arranque rápido, lo cual se ve afectado en las de alta temperatura, por lo que se necesita un proceso de calentamiento adecuado y eficaz para su correcto funcionamiento. Es fundamental que antes de suministrar los reactantes, todos los elementos de la pila estén por encima de los 100 °C con el fin de evitar la presencia de agua líquida. Este calentamiento se puede hacer con mantas calefactoras aislantes, lo que permite el calentamiento por conducción.
2.2.3. Desarrollo de nuevas membranas y materiales para los componentes de la pila
Actualmente se está llevando a cabo el desarrollo de membranas poliméricas y materiales adecuados para los electrocatalizadores, placas bipolares, juntas y sellos.
Incidiendo al mismo tiempo en aspectos propios del diseño, sobre todo en cuestiones de refrigeración.
A continuación se nombran los principales materiales que actualmente se están investigando para las membranas, capaces de mantener una elevada conductividad protónica y una buena estabilidad electroquímica a elevadas temperaturas [6].
• Membranas inorgánicas: Poseen características similares al Nafion, sobre todo en cuanto a su conductividad protónica se refiere.
• Membranas poliaromáticas sulfonadas y basadas en poliestirenos: Un material que se identifica en este grupo es el PEEK. Se caracteriza por tener una buena estabilidad térmica, requerir de grupos sulfónicos para aumentar su conductividad y por sus buenas propiedades mecánicas por debajo de 140 °C.
• Membranas PBI dopadas con ácido: formadas por polibenzimidazol (PBI) dopadas con ácido, principalmente fosfórico (H3PO4). Permiten trabajar a temperaturas entre 150-200 °C debido a su alta estabilidad térmica, manteniendo una buena conductividad protónica, como se puede observar en la Figura 2.3, pero por el contrario su durabilidad es uno de los problemas que
2.8
puede presentar y está siendo investigado. Son las más adecuadas para trabajar en las pilas PEM de alta temperatura.
Figura 2.3: Comparativa de rangos y valores de conductividad del Nafion y del PBI-H3PO4.
2.3. Pilas de combustible tipo PEM de alta temperatura
2.3.1. Pilas de combustible en el sector aeronáutico
Se conoce que un alto porcentaje de CO2 del emitido a la atmósfera es proveniente del transporte aéreo y se prevé que en 2050 habrá aumentado un 6%. Es por esto por lo que en la actualidad se está estudiando la alternativa de utilizar pilas PEM de alta temperatura en el mundo de la aeronáutica [1]. De momento se limita su posible utilización al suministro eléctrico para sistemas auxiliares y no para la propulsión en los grandes aviones ni UAVs (vehículos aéreos no tripulados). Como se refleja más adelante, se han llevado a cabo varios proyectos para instalar pilas como método de propulsión de UAVs debido a su bajo coste, baja potencia requerida, su fácil mantenimiento y su larga resistencia.
Una de las consideraciones fundamentales a tener en cuenta sobre las PEM de alta temperatura en UAVs es que el sistema de refrigeración (de elevado interés en este proyecto) debe ser simple y no tiene que ser pesado para que el UAV sea lo más ligero posible [1]. A su vez, se debe tener pleno conocimiento de los fenómenos de transferencia de calor que tienen lugar, así como conocer la geometría de diseño.
Además, es importante tener en
vuelo, la presión; temperatura y densidad del aire, reducen al aumentar la altitud.
enfriamiento con aire presuriza
bombona a presión, pero ambas soluciones implican embarcar en el avión.
2.3.2. Historia y tipos
Un vehículo aéreo no tripulado es una aeronave que vuela s bordo, capaz de mantener un nivel de vuelo controlado y sostenido.
Inicialmente los UAVs eran simplemente aviones pilotados remotamente
paso de los años se ha ido ampliando su uso hasta llegar a ser aviones controlados de manera autónoma gracias al desarrollo de programas electrónicos que incorporan.
empleo de UAVs empezó a hacer posteriormente se utilizaron
operarios de los cañones antiaéreos guerras como la Guerra del Golfo o la G
comunicaciones seguras y difíciles de intervenir en cuanto al manejo de información militar se refiere. Militarmente hablando
vehículos para el control y vigilancia de Aparte de aplicaciones militares
lado para recreación como la toma de fotos, videos muestras de toxicidad o radiológicas
por último, otro claro ejemplo puede ser la narcotráfico o el terrorismo.
En la Figura 2.4 se muestran diferentes tipos de UAVs.
Figura 2.4: Vehículos aéreos no
Actualmente los UAVs comerciales utilizan sistemas de baterías o motores alternativos de combustión interna (MACI). A su vez
parte se han desarrollado varios proyectos en los que s combustible como sistema de potencia
2.9
tener en consideración las condiciones de trabajo
presión; temperatura y densidad del aire, ya que estas propiedades al aumentar la altitud. Este problema puede solucionarse con
presurizado, bien mediante un compresor, o a través de ión, pero ambas soluciones implican un perjudicial aumento de
tipos de vehículos aéreos no tripulados UAVs
Un vehículo aéreo no tripulado es una aeronave que vuela sin tripulación humana a capaz de mantener un nivel de vuelo controlado y sostenido.
n simplemente aviones pilotados remotamente
paso de los años se ha ido ampliando su uso hasta llegar a ser aviones controlados de manera autónoma gracias al desarrollo de programas electrónicos que incorporan.
empezó a hacerse popular después de la primera guerra mundial y posteriormente se utilizaron también en la segunda guerra mundial para entrenar a los operarios de los cañones antiaéreos. Más recientemente se han utilizado en guerras como la Guerra del Golfo o la Guerra de Bosnia, proporcionando hoy en día comunicaciones seguras y difíciles de intervenir en cuanto al manejo de información Militarmente hablando, aparte de lo ya señalado, se utilizan estos vehículos para el control y vigilancia de fronteras sobre todo entre países en conflicto.
Aparte de aplicaciones militares, los UAVs se pueden utilizar en el ámbito civil, por un lado para recreación como la toma de fotos, videos, etc. Por otro lado
muestras de toxicidad o radiológicas que puedan poner en peligro las vidas humanas otro claro ejemplo puede ser la cooperación en misiones contra el narcotráfico o el terrorismo.
En la Figura 2.4 se muestran diferentes tipos de UAVs.
ehículos aéreos no tripulados para distintos usos
Actualmente los UAVs comerciales utilizan sistemas de baterías o motores alternativos de combustión interna (MACI). A su vez, como se ha dicho antes, de un tiempo a esta parte se han desarrollado varios proyectos en los que se han utilizado pilas de combustible como sistema de potencia de UAVs. En 2003, un UAV diseñado en las condiciones de trabajo durante el estas propiedades se puede solucionarse con un sistema de a través de una aumento del peso a
s
in tripulación humana a
n simplemente aviones pilotados remotamente, pero con el paso de los años se ha ido ampliando su uso hasta llegar a ser aviones controlados de manera autónoma gracias al desarrollo de programas electrónicos que incorporan. El popular después de la primera guerra mundial y en la segunda guerra mundial para entrenar a los utilizado en otras uerra de Bosnia, proporcionando hoy en día comunicaciones seguras y difíciles de intervenir en cuanto al manejo de información se utilizan estos fronteras sobre todo entre países en conflicto.
los UAVs se pueden utilizar en el ámbito civil, por un or otro lado, para tomar que puedan poner en peligro las vidas humanas, y en misiones contra el
s para distintos usos
Actualmente los UAVs comerciales utilizan sistemas de baterías o motores alternativos de un tiempo a esta e han utilizado pilas de 2003, un UAV diseñado en
2.10
Monrovia, California se construyó y se hizo volar mediante una pila PEM como suministradora de potencia. Hasta la actualidad se siguen desarrollando proyectos con el fin de estudiar la viabilidad técnica de los UAVs, siendo uno de los más destacados el realizado por Advanced Material Inc. en 2006 que utilizaba una pila tipo SOFC [7].
Una de las ventajas que se tiene con el uso de pilas para este tipo de aplicaciones es que las pilas de combustible tienen una densidad de energía del orden de cinco veces mayor que los MACIs, incluso más si se emplea hidrógeno licuado [8]. Por el contrario, uno de los mayores problemas o inconvenientes que se ha detectado en dichos estudios es el relacionado con el tipo de almacenamiento del combustible a utilizar.
2.3.3. Ventajas del uso de pilas de combustible en aviación
El uso de pilas de combustible en el sector aeronáutico aporta diversas ventajas, según [9,10]. Algunas de ellas son:
• Menor emisión de contaminantes y, por lo tanto, aumento del compromiso con el medio ambiente en comparación con otras tecnologías.
• Aumento de la fiabilidad con respecto a las tecnologías convencionales.
• Reducción en las emisiones sonoras y térmicas lo que asegura que las posibilidades de detección del aparato sean menores. Esta ventaja es de especial interés para los UAVs utilizados con fines militares.
• Aumento de la densidad de energía mecánica respecto a otras tecnologías disponibles.
Según se puede comprobar en [11,12] y en [13] respectivamente las ventajas más importantes son el menor impacto ambiental y el aumento de la densidad de energía mecánica.
2.3.4. Aspectos de diseño en una PEMFC para aeronáutica
Respecto al diseño de la pila, se debe conocer que tiene que existir un compromiso entre los retos que plantean las condiciones de funcionamiento, el entorno y la pila.
Para conseguir una correcta implantación de la pila en el sector de la aeronáutica se debe prestar especial atención al almacenamiento de los reactantes, peso del sistema y la gestión del agua y del calor.
2.11
2.3.5. Conclusión del uso de pilas de combustible en UAVs
Como conclusión respecto a la aplicación de pilas de combustible en UAVs se puede decir que queda mucho por estudiar en este campo, sobre todo en cuanto al uso de estas pilas como sistemas de propulsión de potencia, ya que, de momento solo se han realizado estudios con dos tipos de pilas, como son las PEM alimentadas con hidrógeno o metanol, siendo las PEM de alta temperatura las más apropiadas para ello, debido a su mejor gestión del agua y del calor, lo que evita la instalación de equipos auxiliares, reduciendo el peso del UAV, y las de tipo SOFC. También cabe decir que, aunque no queda clara cuál es la más apropiada, la pila PEM es una mejor opción para propulsar un UAV que demande una potencia de menos de 1kW.
2.4. Transferencia de calor en sistemas de enfriamiento
2.4.1. Introducción
La transferencia de calor (TC) es una transmisión de energía que tiene lugar entre dos puntos o medios que están a distinta temperatura, en el caso que ocupa a esta memoria, que es el de una pila PEM de alta temperatura, se producirá del punto caliente (pila) al frío (fluido refrigerante que fluye alrededor de la pila). Este fenómeno tiene lugar cuando se refrigera la pila para mantener constante su temperatura (alrededor de 160°C en esta aplicación), extrayendo en el régimen de trabajo estacionario todo el calor generado por la misma con el fluido refrigerante, parte a través de la convección forzada (75-80%) y parte por radiación (20-25%).
2.4.2. Transferencia de calor en sistemas de enfriamiento
La gestión térmica en una pila de combustible es vital para asegurar un alto rendimiento en el sistema. Se deben evitar los gradientes de temperatura elevados y mantener una homogeneidad térmica en la pila para evitar puntos calientes que podrían provocar daños en los materiales [2]. Todo esto se debe conseguir a través del sistema de enfriamiento.
Los sistemas de enfriamiento o de refrigeración dependen de la potencia neta de cada pila, por lo que es necesario seleccionar en cada caso el método más adecuado para conseguir evacuar eficientemente el calor sobrante, mantener las condiciones de operación óptimas y minimizar los gradientes térmicos a través de los componentes [2].
2.12
La transferencia de calor en dichos sistemas se puede realizar por convección natural o forzada, por radiación y por conducción del calor a través de la propia pila. Todo ello viene explicado en los siguientes apartados.
2.4.3. Sistemas de enfriamiento con convección natural
Este sistema es únicamente válido para pilas de pequeña potencia. Es un método sencillo para refrigerar y eliminar los excesos de agua en pilas de baja potencia (<100W) [2]. Para convección natural según [20] se puede utilizar la siguiente correlación de Nusselt, a la hora de resolver el problema de convección:
= 0,825 + , ·
!",#$%&'(
*+)
,- -- .
(2.4)
Donde el Nusselt depende del número adimensional de Rayleigh, /0, y del número adimensional de Prandtl, 12. Que se obtienen como sigue:
/0 =3·4·56A78%9: 68;<=·>@?8%
8B%9·CD,8B%9 (2.5)
Tal que E (m/s2), es la aceleración de la gravedad, F (1/K) es el coeficiente de expansión térmica, GH, IJK (m2/s) es la difusividad térmica del aire, L IJK (m2/s) es la viscosidad cinemática del aire, MN JKO (K) es la temperatura a la cual está la pared, MPQ (K) es la temperatura del ambiente y RS J (m) es la longitud característica que en este caso se considera el diámetro equivalente TKUVI (m), que se calcula como
TKUVI= ZWXY,8B%9
;[\8:[ (2.6)
De donde ]^, IJK (m) es el área de flujo del aire y 1P_` O_ (m) es el perímetro mojado, en contacto o no con la pila.
2.4.4. Sistemas de enfriamiento con convección forzada
Al incrementar la potencia en las pilas ya no es posible utilizar únicamente la convección natural para evacuar el calor en exceso. A partir de los 100 W de potencia, la convección forzada se convierte en una necesidad, pero ello conlleva un mayor gasto de energía, lo que reduce el rendimiento del sistema, así como, aumenta el espacio para equipos auxiliares. En estos casos, una opción factible es incorporar ventiladores compactos de tipo axial de reducidas dimensiones, los cuales pueden ser
2.13
integrados en un único conjunto con la propia pila. El uso de este sistema de ventilación está limitado a potencias medias de hasta unos 2 kW [2].
Para el número de Nusselt durante la transferencia de calor por convección forzada no se ha podido encontrar, en la literatura consultada, ningún modelo empírico que pudiera responder con suficiente exactitud a las condiciones que en este proyecto se presentan, es decir, en procesos de transferencia de calor de un objeto tridimensional prismático, en un flujo no desarrollado, confinado por un conducto exterior con paredes muy pegadas a la pila (área de flujo reducida), con una longitud en la dirección de flujo comparable a las dimensiones en la dirección normal al mismo, y con números de Re en la zona de regímenes de flujo tanto laminar como de transición entre laminar-turbulento.
Se ha intentado utilizar las expresiones de Nusselt disponibles en la literatura para casos que se pueden considerar muy cercanos al de este proyecto. Sin embargo, los resultados no han sido satisfactorios, al comparar los coeficientes de transferencia de calor determinados experimentalmente, con los obtenidos mediante las ecuaciones de la literatura. Las expresiones probadas se comentan en los siguientes párrafos:
a) Flujo paralelo a placa plana, / entre 1000 y 3 ∗ 10dy 12 con valores entre 0.6 y 50, la longitud característica, R,se considera la longitud de la placa[14].
= 0.648/ .d12 . (2.7)
b) Flujo paralelo en canales rectos. Como longitud característica, R,se considera la más pequeña de las distancias perpendiculares al flujo. El número de Re entre 5000 y 1 ∗ 10d, según [14].
= 0.104/ .g d12 . (2.8)
c) Correlación para flujo turbulento en canales rectos, Re > 10000 según [15].
= 0.021h>/ . 12 .W (2.9)
d) Flujo paralelo y turbulento en canales rectos, Re > 10000 [15].
W = 0.008h>/ W.i12 .W (2.10)
e) Flujo laminar en canales rectos, Re<2300 [15].
d = 1.4 j/ dk>
9lm .W12 . (2.11)
2.14
f) Flujo laminar paralelo sobre placa plana, Re<2300 [16].
g = . K".#ZJ".@@@
n !"."o )
$% &". p".*#
(2.12)
g) Flujo turbulento en conducto anular, Re>10000 [17].
= 0.0217 !kk*& . g/ . 12 .W!69tD%8t?96r8ss & . (2.13)
h) Para flujo anular [18].
= 0.0217/ . 12 .W!69tD%8t?96r8ss & . (2.14) En estas ecuaciones / es el número de Reynolds, 12 es el número adimensional de Prandtl, h> es el coeficiente que considera el grado de desarrollo del flujo, R (m) es la longitud del canal que corresponda, TKU (m) es el diámetro equivalente, T (m) es el diámetro exterior del conducto anular, T (m) es el diámetro interior del conducto anular, Mu vv (K) es la temperatura de la pared y MKwHJ wSK (K) es la temperatura de entrada.
También se ha comprobado que las siguientes correlaciones tampoco describen suficientemente bien la refrigeración de la pila de combustible ensayada.
Ecuación para determinar el Nusselt para los siguientes rangos T/R < 1, 0.6 < 12 <
2000 y 2300 < / < 10g según [21].
= Y*z K {ZJ
. !Y*&".#5ZJ*/@ =n1 + !k>& / p (2.15) Donde | es el factor de fricción.
La misma dependencia está descrita en [22] para el régimen de transición.
= 0.1165/ / − 125=12 / n1 + !k>& / p (2.16)
Con estas dos expresiones se han obtenido resultados muy pobres. Sin embargo otros artículos describen correlaciones con otras dependencias con el factor de forma para flujo laminar. Por ejemplo, para conductos horizontales con sección circular y con número de Graetz z~• = / 12T/R { entre 0.1 y 104.
= 3.66 + . ۥ. iۥ".)".o + (2.17)
Por otro lado, para pequeños diámetros y Gz>100, [23] propone:
2.15
= 1.86~• / (2.18)
Y para flujos laminares en conductos anulares [24] sugiere:
= 1.02/ .Wd12 .d!k>9& .W!kk*& . (2.19)
Según los resultados obtenidos de la literatura, parece que la influencia del factor de forma en la región de transición es mayor que en régimen laminar (exponentes decreciente desde 0.666 a 0333-0.4). El exponente en los experimentos realizados con la pila de combustible de este proyecto, con alto número de Gz, es similar a los reportados por Gnielinski [21] o Hausen [22]. Sin embargo, para números Gz bajos, los resultados experimentales indican una mayor dependencia del factor de forma que la que se aprecia en los otros trabajos de la literatura consultada.
Como se ha explicado, para las condiciones de este proyecto, no se puede hacer uso de ninguna de las correlaciones anteriormente comentadas, así que, en este proyecto se utilizarán las correlaciones obtenidas experimentalmente en el LIFTEC para esta pila de combustible, que se reportan en [1].
En el artículo de referencia [1] se explica el procedimiento implementado para obtener correlaciones fiables del número de Nusselt en las condiciones de trabajo de la pila. La primera conclusión que obtuvo de los experimentos es que el 12 varía entre 0.72 y 0.73 por lo que, se le puede asignar a este número adimensional un exponente de 1/3 siguiendo la tendencia de la literatura. A través de la correlación estadística de los datos experimentales, se obtiene la dependencia del número de Nusselt del número de Reynolds y del factor de formaO9l
> , para los siguientes rangos evaluados experimentalmente,
Para / k>9l≥ 640
= 0.6155/ z / {!O>9l&z /W{12z ⁄ { (2.20)
Para / k>9l< 560
= 2.149 × 10 / z / {!O>9l&zW/ {12z ⁄ { (2.21)
Para el desarrollo de este proyecto solo se ha utilizado la ecuación (2.20), atendiendo a los valores del parámetro / multiplicado por el factor de forma en las condiciones de diseño del sistema de refrigeración de la pila. También se han variado las propiedades, atendiendo a los diferentes fluidos de refrigeración utilizados, a saber, aire seco, aire húmedo con diferentes grados de humedad y aire húmedo saturado en mezcla bifásica con agua líquida.
2.16
2.4.5. Propiedades del fluido refrigerante en las distintas condiciones de refrigeración
Como se ha explicado, para resolver el problema de transferencia de calor se necesitan las propiedades del fluido. En el proyecto que se presenta las propiedades se han calculado con los parámetros de presión, temperatura y humedad (en los casos que se requiere) a la entrada y salida de la pila. Atendiendo al hecho de que se ha simulado el problema para distintas condiciones del fluido refrigerante, a continuación se explica el cálculo de las propiedades del fluido para los diferentes casos analizados:
-Aire Seco: las propiedades se han obtenido a través de las funciones de propiedades del programa EES para este fluido en concreto, cuyo flujo másico será igual a la salida que a la entrada de la pila.
-Aire húmedo con diferentes grados de humedad: las propiedades se calculan mediante las funciones de propiedades del programa EES para este fluido. En los procesos de calentamiento del fluido refrigerante a humedad constante, el flujo másico de aire seco y de agua es el mismo a la entrada y la salida.
-Aire húmedo saturado a la salida: las propiedades del fluido se vuelven a calcular como funciones del aire húmedo a través de EES. En este caso, en que se estudia un proceso de calentamiento y humidificación, el flujo másico de aire seco es el mismo a la entrada y salida de la pila, mientras que el flujo másico de agua a la salida es igual al de entrada más el flujo de agua adicionado en el proceso de humidificación.
-Mezcla bifásica a la salida: en este caso las propiedades de los fluidos que conforman la mezcla (aire húmedo saturado y agua) se determinan a través del programa EES.
Para la mezcla bifásica se utiliza un promedio ponderado de las propiedades, considerando una mezcla con distribución de fluidos homogénea según las recomendaciones de [19]. Atendiendo a esta referencia, las ecuaciones para determinar las propiedades son las siguientes.
El calor específico de la mezcla bifásica a la salida se determina como:
†N,PK•Sv ‡ =P8ˆ,‰∗S7,8ˆ‰P8ˆ,‰PP8Š‹8,‰8Š‹8,‰∗S7,8Š‹8‰ (2.22)
De donde Œ •,‡ (kg/s) es la masa de aire húmedo a la salida, †N, •‡ (Jkg-1K-1) es el calor específico del aire húmedo a la salida, Œ 3V ,‡ (kg/s) es el flujo másico del agua que se tiene a la salida, †N, 3V ‡ (Jkg-1K-1) es el calor específico del agua a la salida.
La viscosidad de la mezcla bifásica a la salida se calcula por la siguiente ecuación:
2.17 μPK•Sv ‡ = P;8Š‹8,‰8ˆ,‰ P8Š‹8,‰
•8Š‹8 ;8ˆ,‰
•8ˆ,‰
(2.23)
De donde μPK•Sv ‡ (kgm-1s-1) es la viscosidad de la mezcla a la salida, μ 3V (kg/m s) es la viscosidad del agua que vale 0.001128 y μ •,‡ (kgm-1s-1) es la viscosidad del aire que se calcula como una función de EES.
El coeficiente de conductividad térmica de la mezcla bifásica es:
•PK•Sv =‘ VO v’8‹:8s8Š‹8,‰ 8B% ‰ ‘ VO v8Š‹8,‰
“8Š‹8 ’8‹:8s8B%,‰
“8ˆ,‰
(2.24)
De donde ”0 •0– IJ ‡ (m3/s) es el caudal del aire a la salida, ”0 •0– 3V ,‡ (m3/s) es el caudal de agua a la salida, • 3V (Wm-1K-1) es el coeficiente de conductividad del agua que vale 0.5772 y • •,‡ (Wm-1K-1) es el coeficiente deconductividad del aire húmedo a la salida.
La densidad de la mezcla bifásica es:
—PK•Sv ‡ =P;8Š‹8,‰8ˆ,‰ P8Š‹8,‰
˜8Š‹8 ;8ˆ,‰
˜8ˆ,‰
(2.25)
Donde Œ y — se refieren a los flujos másicos y la densidad, para el aire húmedo y el agua, respectivamente.
2.4.6. Radiación
La transferencia de calor por radiación se produce por la emisión de radiación térmica que experimenta todo cuerpo al encontrarse a una temperatura mayor que la de su entorno. Depende de una característica del material conocida como emisividad y de una característica geométrica definida por el problema, y que se conoce como factor de forma.
En este proyecto se estudia la influencia de diferentes materiales sobre la transferencia de calor por radiación. En la tabla 2.2 se muestran los distintos materiales probados.
2.18
Tabla 2.1: Emisividades de los materiales estudiados.
ε Material
0.09 Aluminio
0.1 Hierro brillante
0.2 Metal Pulido
0.28 Acero Inoxidable
0.3 Oxido pesado
0.4 Cromo
0.5 Zinc Pulido
0.6 Latón oxidado
0.7 Corcho
0.8 Grafito
0.87 Pintura negra
0.9 Plástico
0.98 Próximo a cuerpo negro
En cuanto a este proyecto se refiere, el cálculo del calor disipado por radiación, ™J O (W), es importante porque junto al calor de convección, ™S_wA (W) hacen el calor total,
™H_H (W), que se tiene que llevar el fluido refrigerante:
™H_H = ™S_wA+ ™J O (2.26)
2.4.7. Conducción
El fenómeno de conducción se da a través de las partes metálicas de la pila, especialmente en las placas bipolares, porque es el componente con mayor dimensión espacial en la dirección preferencial de la transferencia de calor y porque pueden fabricarse con diversos materiales que poseen distintos valores de coeficientes de conducción. En este proyecto no se analiza la conducción a través de la pila, ya que los números de Biot determinados para el aluminio a las temperaturas de trabajo son inferiores a 0.01, así que los gradientes de temperatura en la propia pila pueden despreciarse, ya que la transferencia de calor por conducción es mucho más rápida que la convección. Es por esta razón que pueden considerarse constantes en todo el objeto la temperatura y el coeficiente de transferencia de calor por conducción. El número de Biot se determina por
š› =•>œ?8% (2.27)
Donde ℎ (Wm-2K-1) es el coeficiente de transferencia por convección, • (Wm-1K-1) es el coeficiente de conductividad térmica y RS J (m) es la longitud característica definida como el cociente entre el volumen del cuerpo y el área de la superficie del mismo.
3.1
3. Metodología
3.1. Características de la pila estudiada
Todas simulaciones llevadas a cabo en este proyecto se han realizado para las dimensiones de la pila utilizada por el LIFTEC en el proyecto de desarrollo que se está llevando a cabo para suministrar la potencia de un UAV.
En este apartado se describen las principales características de la pila de combustible sobre la que se basa el proyecto. En la Figura 3.1 se muestra una imagen de la pila montada, junto con las indicaciones de entrada y salida de los gases reactantes.
Figura 3.1: Pila de combustible utilizada
Según [1] la pila posee las características que se muestran en la Tabla 3.1.
Tabla 3.1: Características más relevantes de la Pila de combustible utilizada Características de la pila
Potencia del stack 650 W
Número de celdas 40
Voltaje del stack 24.8 V
Área activa 81.28 m2
Alto de la pila 0.168 m
Ancho de la pila 0.081 m
Largo de la pila 0.185 m
3.2
En las figuras 3.2 y 3.3 se presentan la geometría de la pila y su ubicación en la carcasa de refrigeración.
Figura 3.2: Vista frontal de la pila-carcasa
Figura 3.3: Vista lateral de la pila-carcasa
Otros aspectos importantes, junto con las características de la pila, son los parámetros geométricos que se observan en las figuras anteriores, así como, los que se derivan de ellos y que son importantes en los cálculos de la transferencia de calor y el flujo. Entre los más importantes se pueden mencionar el diámetro equivalente, el área de flujo y el área de transferencia de calor.
El diámetro equivalente (m) se calcula como
= , (3.1)
3.3
De donde , (m2) es el área de flujo por la que circula el aire y (m) es el perímetro mojado, ambos parámetros se calculan como sigue:
, = − ! (3.2)
De donde (m2) es el área de la carcasa y ! (m2) es el área de la pila.
= 2$ %&ℎ( ! + *+( ! , + 2- %&ℎ( + *+( . (3.3) Donde %&ℎ( ! (m) es el ancho de la pila, *+( ! (m) es el alto de la pila, %&ℎ(
(m) es el ancho de la carcasa y *+( (m) es el alto de la carcasa.
El área de transferencia de calor de la pila /01 (m2) es el área de la pila que está en contacto con el aire. Se determina a través de la ecuación siguiente:
/01 = 2 · 3456( ! · %&ℎ( ! + 2 · *+( ! · 3456( ! (3.4) Donde 3456( ! (m) es la longitud a lo largo de la pila, %&ℎ( ! (m) es el ancho de la pila y *+( ! (m) es el alto de la pila.
3.2. Transferencia de calor. Fundamentos teóricos
3.2.1. Introducción
Una pila de combustible, como cualquier otro sistema de generación energética, debe cumplir el principio de conservación de la energía:
7 − 7 = 7 (3.5)
Donde 7 es la energía a la entrada del sistema (J), 7 es la energía a la salida del sistema (J) y 7 es la energía producida (J).
El balance global de una pila de combustible se puede establecer tal y como se aprecia en la Figura 3.4.
Figura 3.4: Esquema del balance global de energía de una pila de combustible tipo PEM de alta temperatura.
3.4
Tomando como referencia la Figura 3.4, se pueden definir los términos tanto de energía a la entrada y salida, como el término del calor producido del siguiente modo:
7 = ∑ $9: ;, , (3.6)
7 = ∑ $9: ;, , (3.7)
7 = <! + =:> > (3.8)
Siendo 9: el flujo másico del elemento “?” (kg/s), ;, la entalpía del gas “?” a la entrada (J/kg), ;, la entalpía del gas “?” a la salida (J/kg), < la potencia eléctrica generada por la pila (W) y =:> > el calor total generado que debe ser evacuado por el sistema de refrigeración (W).
Sustituyendo las definiciones anteriores en la ecuación (3.5) se obtiene:
∑ $9: ;, , − ∑ $9: ;, , = <! + =:> > (3.9) Teniendo en cuenta que a la entrada los reactivos son hidrógeno y oxígeno y a la salida los productos son el agua formada y los reactivos sobrantes, otra forma de escribir la ecuación (3.9) es:
9:@A, ;@A, + 9:BA, ;BA, − 9:@A, ;@A, − 9:BA, ;BA, − 9:@AB, ;@AB, = <! + =:> >
(3.10) Los flujos másicos y las entalpías de los reactivos y productos que aparecen en la ecuación (3.10) son calculados de igual manera para todos los estudios realizados en este proyecto, donde se ha fijado una potencia constante para las diferentes operaciones de vuelo del UAV. El método de cálculo empleado para resolver este conjunto de ecuaciones en el programa EES (EngineeringEquationSolver) se muestran en el anexo F.
La principal fuente de generación de calor en la pila se encuentra en la capa catalítica del cátodo, donde tiene lugar la reacción química exotérmica de recombinación de los protones, los electrones y el oxígeno para formar el agua.
Como se observa en la Figura 3.5, el calor se transfiere por conducción a través de los materiales sólidos, y mediante convección en las zonas en las que el transporte de gases está presente, como en los canales de las placas bipolares y zonas exteriores.
Figura 3.5: Principales fenómenos de transmisión de calor en una pila de cátodo
3.2.2. Convección
La transferencia de calor por convección se produce al entrar en contacto un sólido y un fluido a diferentes temperaturas.
Al analizar un problema de convección, el último fin es la determinación del calor intercambiado entre el fluido y las paredes en contacto con él, es decir el
tal que:
= CD = ℎ/01∆F! G Donde ℎ (Wm-2K-1) es el coefici
calcula generalmente por métodos empíricos
propiedades del fluido, la geometría de la superficie sólida y las condiciones hidrodinámicas o aerodinámicas que rodean la p
el modo de proceder para obtener dicho coeficiente.
Por otro lado /01 (m2) representa el área de transferencia de calo calcula mediante la ecuación
Por último, ∆F! G representa la temperatura logarítmica media y se define por:
HF! G =I0JK LI0
MNOPQRS%+54 QRT U
Donde:
HFC> = F
3.5
: Principales fenómenos de transmisión de calor en una pila de cátodo cerrado.
La transferencia de calor por convección se produce al entrar en contacto un sólido y un fluido a diferentes temperaturas.
Al analizar un problema de convección, el último fin es la determinación del calor intercambiado entre el fluido y las paredes en contacto con él, es decir el
! G
) es el coeficiente de transferencia de calor por convección que se generalmente por métodos empíricos y que depende de aspectos como la
del fluido, la geometría de la superficie sólida y las condiciones hidrodinámicas o aerodinámicas que rodean la pared. Más adelante se explica cual es el modo de proceder para obtener dicho coeficiente.
) representa el área de transferencia de calor del sólido que se mediante la ecuación (3.4).
representa la temperatura logarítmica media y se define por:
0T U P S%+54T U V
F , C>
: Principales fenómenos de transmisión de calor en una pila de cátodo
La transferencia de calor por convección se produce al entrar en contacto un sólido y
Al analizar un problema de convección, el último fin es la determinación del calor intercambiado entre el fluido y las paredes en contacto con él, es decir el = CD-W.,
(3.11) ente de transferencia de calor por convección que se y que depende de aspectos como las del fluido, la geometría de la superficie sólida y las condiciones ared. Más adelante se explica cual es
r del sólido que se
representa la temperatura logarítmica media y se define por:
(3.12)
(3.13)
3.6
HF ! = F − F , ! (3.14)
Siendo F , la temperatura a la cual opera la pila, en este trabajo esta temperatura se ha fijado en 160 °C.
El coeficiente de transferencia de calor se calcula, como se ha comentado, experimentalmente, para ello, se trabaja con el número adimensional de Nusselt-XY.:
XY =[∙]_ ^ (3.15)
Donde ℎ es el coeficiente de transferencia de calor por convección comentado previamente, 3 (m) es la longitud característica del problema, que para el caso de la pila en estudio es el diámetro equivalente, (m), que se calcula según la ecuación (3.1).
La verdadera complejidad del cálculo de la convección viene dada por la elección de una correlación que se adecúe a las condiciones del problema. Estas correlaciones ponen en juego otros números adimensionales como el número de Reynolds o el de Prandtl.
En cuanto a la pila sobre la cual se trabaja en este proyecto, como viene reflejado en el estado del arte, la correlación empleada para determinar el número adimensional de Nusselt es la expresada por la ecuación (2.20).
XY = 0.6155eS-f/h.ij 3 k
-h/ .
5-l h⁄ .
En esta ecuación el número adimensional de Reynolds eS se calcula como sigue:
eS =n Uo r· Uo ·pqo
Uo (3.16)
De donde s ! (kg/m3) es la densidad del fluido, Y ! (m/s) es la velocidad del fluido refrigerante, μ ! (m/s2) es la viscosidad del fluido y (m) es el diámetro equivalente.
El número adimensional de Prandtl 5 se calcula de la siguiente manera: 5 = u, Uo_ ·r Uo
Uo (3.17)
De donde & , ! (Jkg-1K-1) es el calor específico del fluido y v ! (Wm-1K-1) el coeficiente de conductividad térmica.
Estas propiedades, como se ha explicado en el apartado 2.4.5, son distintas y no se calculan de igual forma para las diferentes condiciones de refrigeración analizadas.
3.7
En estas expresiones aparece Y ! (m/s) que es la velocidad del fluido refrigerante y se calcula mediante la siguiente expresión:
9: ! = s ! ∙ Y ! ∙ , (3.18)
Donde 9: ! (kg/s) es el flujo másico del fluido, , (m2) es el área de flujo por la que circula el aire que se calcula por medio de la ecuación (3.2)
3.2.3. Radiación
El flujo de calor disipado por la pila por radiación se calcula de la siguiente manera:
= = 5.67 × 10Lyz >/01{F >− |0 , }0f ,T~ • (3.19) Donde z > es la emisividad del material de las placas de la pila, /01 (m2) representa el área de transferencia de calor de la pila y se calcula según la ecuación (3.4), F > (K) es la temperatura a la que se encuentra la pared exterior de la pila (160 °C), F , (K) es la temperatura del aire a la entrada y F , (K) es la temperatura del aire a la salida.
A su vez, es importante saber cuál es el porcentaje de calor evacuado por radiación, para ello se puede utilizar la siguiente expresión:
= % = 100••
R‚ (3.20)
Donde =01 (W) es igual al => > (W), que se tiene que llevar el fluido refrigerante:
=> > = = CD+ = (3.21)
Siendo = CD (W) el calor disipado por convección que se calcula como indica la ecuación (3.11) y = (W) es el calor disipado por radiación que se calcula como se ve en la ecuación (3.19).
3.2.4. Conducción
La conducción es un fenómeno que se realiza a través de la masa de los cuerpos, que se caracteriza por el coeficiente de conductividad térmica. Para su cálculo hay que aplicar la ley de Fourier, que determina la existencia de una relación entre el flujo de calor y el gradiente de temperaturas. Esta ley se expresa de la siguiente manera:
= C = vƒ0ƒ„ (3.22)